缓释与普通尿素分层配施对土壤氮素和玉米生长的影响

王玉凤, 武 鹏,, 李 庆, 张 鹏,贾志宽, 薛盈文, 杨克军

(1.黑龙江八一农垦大学农学院, 黑龙江 大庆 163319; 2.黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室,黑龙江 大庆 163319;3.西北农林科技大学农学院, 陕西 杨凌 712100 ;4.中国旱区节水农业研究院, 陕西 杨凌 712100)

玉米作为我国第一大粮-经-饲作物在我国粮食生产中占据重要地位，研究表明我国玉米增产潜力巨大；施用氮肥是提高玉米产量的有效方式[1-6]，但是实际生产中农户过量施氮带来一系列环境污染问题[7]。玉米从拔节期开始进入旺盛生长阶段，根系和穗位叶不断发育，花后叶片和根系的衰老与产量形成同步进行，此时保证充足的氮素供应可延缓根系和叶片衰老，对于产量形成意义重大[8-9]。缓释尿素作为一种长效尿素通过“前控后保”作用来保证作物整个生育时期对氮素的需求，现在已经成为轻简化一次施肥的重要发展方向。因此探究合理高效的缓释尿素施用方式来延缓叶片和根系衰老，提高叶片光合特性，促进光合产物形成是玉米高产生理的重要课题之一。前人研究表明，植物生育后期叶片将营养运送到籽粒中时会产生代谢与营养胁迫的矛盾，细胞间活性氧产生与清除之间的平衡遭到破坏，积累的活性氧对细胞造成伤害，促使细胞膜脂过氧化，进而引起叶片衰老[10]。植物体内SOD、POD和CAT具有清除氧自由基的作用[11-12]，是重要的保护酶；MDA是膜脂过氧化的主要产物之一，其含量高低代表膜脂过氧化水平，其含量升高表示植株衰老[13-14]；可溶性蛋白含量也能反映植株衰老情况[15]，所以SOD、POD、CAT、MDA和可溶性蛋白可用来作为代表叶片和根系衰老的生理生化指标。耿计彪等[16]研究发现缓释与普通尿素以不同比例配置后一次基施能显著提高叶片光合速率、SOD、POD活性和可溶性蛋白含量，降低MDA含量，延缓叶片衰老。李广浩等[17-18]通过缓释尿素水氮耦合试验表明缓释尿素水氮耦合能够提高玉米花后穗位叶功能，促进光合产物的产生。前人主要是将缓释尿素与普通尿素以不同比例配施一次基施来探究其对玉米生理特性的影响，关于分层施肥报道较少，本研究在不同深度土层将缓释尿素与普通尿素以不同比例配施作为基肥，探究其对玉米生理特性的影响，以期找到更加适宜、高效的施肥方式来延缓玉米衰老和促进增产。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2017―2018年在黑龙江八一农垦大学现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室试验基地(125°11′E，46°37′N)进行，该基地位于松嫩平原，全年降水偏少，属于半干旱区。玉米生长期内多年日平均气温4.2℃，降雨量427.5 mm，蒸发量1 635 mm。供试土壤为盐化草甸土，基础肥力见表1。供试玉米品种为“庆单3号”，供试肥料为树脂包膜尿素(PCU，N 45%，山东茂施生态肥料有限公司生产)，普通尿素(PU，N 46%，中国石油天然气股份有限公司-昆仑尿素)，硫酸钾(K2O 50%，国投新疆罗布泊钾盐有限公司)，过磷酸钙(P2O512%，中化化肥有限公司生产)。

表1 供试土壤基础肥力

1.2 试验设计

本研究为大田试验，采用随机区组设计，以不施氮肥为空白对照(CK)，设置7个氮肥处理，分别为：PU1：普通尿素一次性施入，施肥深度为种子下方5～10 cm(当地部分农户的“一炮轰”施肥方式)；PU2：普通尿素分两次施入，基追比为6∶4，施肥深度均为种子下方5～10 cm(当地部分农户机械施基肥加机械追肥施肥方式)；PU3：普通尿素在种子下方5～10、15～20 cm和25～30 cm分别一次性施纯氮的20%、30%和50%；PCU1～PCU4为缓释尿素与普通尿素分层配施处理，种子下方5～10、15～20、25～30 cm分别施纯氮的20%、30%和50%，其中5～10 cm均施普通尿素，15～20 cm和25～30 cm土层分别施用不同配比的缓释尿素和普通尿素，PCU1在15～20 cm和25～30 cm缓释尿素与普通尿素配施比例均为3∶7；PCU2均为5∶5；PCU3在15～20 cm配施比例为3∶7，25～30 cm为5∶5；PCU4在15～25 cm配施比例为5∶5，25～30 cm为3∶7，共8个处理。每个处理3次重复，每个小区面积52 m2(10 m行长，每小区8行，行距0.65 m)。各处理统一在种子下方5～10 cm基施磷肥(P2O5120 kg·hm-2)和钾肥(K2O 90 kg hm-2)，与此层尿素同时一次施入。各处理氮肥用量均为220 kg·hm-2，施肥方式为人工开沟，每施入一层肥料后人工覆一层土，最后播种、覆土和人工踩压。播种时间为2017年5月9日和2018年4月28日，种植密度均为75 000株·hm-2，田间管理同当地大田生产。由于数据量较大，且2017年和2018年数据趋势相同，因此除产量和经济效益外其它数据取2 a的平均值进行分析计算。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土样采集与测定 整地前取0～30 cm土层土壤，按常规法测定土壤基本理化性质[19-21]。同时在玉米生育吐丝期和灌浆期用五点取样法取玉米垄上2株玉米之间地下0～30 cm土样，带回实验室后冷藏，采用紫外分光光度法测定土壤硝态氮含量[19]，KCl浸提—靛酚蓝比色法测定铵态氮含量[19]。

1.3.2 叶片和根系酶活性的测定 在玉米拔节期、吐丝期和灌浆期每个小区选取长势均匀一致的3株植株，剪下穗位叶迅速用塑封袋密封放入冰盒，带回实验室放入-80℃冰柜冷藏以备测定；砍下地上部分植株后取0～30 cm根系，迅速用冰盒带回实验室在水龙头下冲洗干净后放入-80℃冰柜冷藏备测。SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)光还原法[22]测定，POD活性采用愈创木酚法测定[23]，CAT活性采用紫外吸收法测定[24]，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸比色法[25]，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法[26]。

1.3.3 穗位叶光合特性的测定 在玉米拔节期、吐丝期和灌浆期选取晴天的9∶30～12∶00使用Li-6400便携式光合仪(Li-Cor.Inc，美国)，在各小区选取3株生育进程一致、具有代表性、照光均匀的植株(穗位叶完全展开前选取顶部第1片完全展开叶，穗位叶完全展开后选取穗位叶，且避开叶脉)循环测定自然光源下叶片蒸腾速率(Tr)、净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)。

1.3.4 籽粒产量及其构成因素的测定 玉米成熟期，收获各小区中间两垄连续5 m长的所有果穗，统计有效穗数，计算平均穗重，选取具代表性的20个果穗，进行室内考种，记录穗粒数及百粒重，计算14%含水率下的玉米产量。

1.4 数据处理与分析

数据处理及作图采用软件Excel 2003和Origin 2018，方差分析采用统计软件DPS 7.05，多重比较采用LSD检验法。

2 结果与分析

2.1 缓释与普通尿素分层配施对土壤氮素含量的影响

注：不同小、大写字母分别表示P<0.05和P<0.01水平下差异显著，下同。Note: Different lowercase and majuscule letters indicate significant difference at P<0.05 and P<0.01 probability levels. The same below.图1 缓释与普通尿素分层配施对土壤氮素含量的影响Fig.1 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on soil nitrogen content

2.2 缓释与普通尿素分层配施对玉米根系及叶片衰老的影响

2.2.1 缓释与普通尿素分层配施对玉米根系及叶片保护酶活性的影响 如图2所示，施肥显著影响玉米根系和穗位叶的3种保护酶(SOD、POD、CAT)活性。整体来看，同一生育时期穗位叶的保护酶活性均高于根系，随着生育时期的推进穗位叶和根系保护酶活性均呈现先升高后降低的变化趋势，在吐丝期活性最高。拔节期，除CK处理的穗位叶和根系活性显著低于其它处理外，各施氮处理间无显著差异。吐丝期和灌浆期，缓释与普通尿素分层配施处理之间SOD、POD和CAT活性无明显差异，各处理中PCU4的SOD、POD、CAT活性均最高；吐丝期，PCU4处理穗位叶和根系的SOD活性较PU1、PU2和PU3提高了9.22%～18.68%和7.93%～16.14%，POD提高了7.72%～17.91%和19.09%～37.44%，CAT提高了7.66%～19.99%和9.71%～32.76%；灌浆期，PCU4处理穗位叶和根系SOD活性较PU1、PU2和PU3提高了14.85%～26.75%和11.39%～22.75%，POD提高了9.95%～23.35%和22.16%～42.13%，CAT提高了10.02%～22.96%和26.59%～60.98%。

2.2.2 缓释与普通尿素分层配施对玉米根系及叶片可溶性蛋白的影响 从图3可以看出，在生育期内叶片的可溶性蛋白含量高于根系，叶片可溶性蛋白含量呈先升高后降低趋势，根系可溶性蛋白含量则不断减少。拔节期除CK外各处理间可溶性蛋白含量无显著差异；吐丝期和灌浆期PCU1～PCU4间可溶性蛋白含量无显著差异但是均高于其它施氮处理，叶片可溶性蛋白含量较PU1、PU2、PU3在吐丝期和灌浆期分别提高了16.25%～30.83%和11.67%～32.98%，根系可溶性蛋白含量分别提高了12.42%～45.97%和40.54%～103.57%。

图3 缓释与普通尿素分层配施对玉米根系 及叶片可溶性蛋白的影响Fig.3 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on soluble protein content in maize roots and leaves

2.2.3 缓释与普通尿素分层配施对玉米根系及叶片MDA含量的影响 从图4可以看出，随着生育时期推进，叶片和根系的MDA含量不断增加且叶片高于根系。拔节期，叶片CK处理MDA含量显著高于其它处理，根系所有处理间无显著差异；吐丝期和灌浆期施氮处理的MDA含量低于对照CK，PCU1～PCU4处理的MDA含量低于PU1、PU2、PU3处理，叶片MDA含量在吐丝期和灌浆期分别降低了2.37%～17.30%和8.23%～37.53%，根系分别降低了3.01%～22.73%和6.66%～31.60%。叶片和根系中，PCU4处理的MDA含量均是所有处理中最低且显著低于PU1、PU2、PU3处理。

图4 缓释与普通尿素分层配施对玉米根系 及叶片MDA含量的影响Fig.4 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on MDA content in maize roots and leaves

注: V6:拔节期; R1:吐丝期; R3:灌浆期。下同。Note： V6: Jointing stage；R1:Silking stage；R3:Filling stage. The same below.图2 缓释与普通尿素分层配施对玉米根系及叶片SOD、POD和CAT活性的影响Fig.2 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on SOD, POD and CAT activities of maize roots and leaves

2.3 缓释与普通尿素分层配施对玉米穗位叶光合特性的影响

2.3.1 缓释与普通尿素分层配施对玉米穗位叶净光合速率的影响 各处理叶片的Pn均表现为先升高后降低(表2)，吐丝期达到峰值。拔节期除CK外其它处理间无显著差异，其中PU1处理Pn最高为38.64 μmol CO2·(m2·s)-1；吐丝期、灌浆期、成熟期缓释与普通尿素分层配施基施处理Pn均高于其它处理，分别较PU1、PU2和PU3提高5.10%～8.73%，7.35%～36.37%和12.92%～40.63%，PCU4最高分别为44.97、6.81 μmol·(m2·s)-1和15.68 μmol·(m2·s)-1。

随生育时期推进玉米叶片Tr呈先升高后降低变化，各处理叶片Tr在吐丝期达到峰值。拔节期处理PU1、PU2和PU3间无显著差异，但比PCU1、PCU2、PCU3、PCU4高9.37%～20.51%，其中PU1最高为5.64 mmol·(m2·s)-1；吐丝期除PU1外其它处理间无显著差异，PCU1、PCU2、PCU3和PCU4比PU1、PU2、PU3处理提高14.29%～24.72%；灌浆期和成熟期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4较PU1、PU2、PU3叶片Tr分别提高13.245～35.89%和23.41%～66.23%，PCU4的Tr最高，分别为4.96 mmol·(m2·s)-1和3.84 mmol·(m2·s)-1。

从表2可以看出，施氮可以提高叶片Gs且随着玉米生育时期推进Gs先升高后降低。拔节期除CK外其它各处理间无显著差异，其中PU1叶片气孔导度最大为0.25 mol·(m2·s)-1；吐丝期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4间无显著差异但较PU1、PU2、PU3提高1.56%～15.11%，PCU4叶片Gs最大为0.45 mol·(m2·s)-1；灌浆期和成熟期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4较PU1、PU2、PU3提高Gs2.50%～14.53%和16.33%～56.30%，其中PCU4最大为0.24 mol·(m2·s)-1和0.20 mol·(m2·s)-1。

从表2可以看出，随着生育时期推进，不同处理叶片Ci呈U型变化，吐丝期各处理叶片Ci最低。除CK外各处理间胞间CO2浓度在拔节期无显著差异；吐丝期、灌浆期和成熟期PCU1、PCU2、PCU3、PCU4比PU1、PU2、PU3降低11.52%～20.22%、5.15%～19.84%和1.15%～10.82%，吐丝期PCU2叶片Ci最低为64.19 μmol·mol-1，灌浆期和成熟期PCU4叶片Ci最低分别为104.24 μmol·mol-1和130.46 μmol·mol-1。

2.4 缓释与普通尿素分层配施对玉米产量及经济效益的影响

从图5可以看出，施氮显著增加玉米产量和经济效益，2017年产量和经济效益均高于2018年。与普通尿素一次性施肥、普通尿素传统施肥相比，分层施肥产量分别提高了0.04%～26.16%和2.37%～22.36%；PCU1～PCU4处理产量较其它处理提高2.32%～26.16%和1.32%～22.36%，经济效益增加1.67%～31.84%和0.33%～27.49%。2 a中PCU4处理产量最高，分别为13 899.08 kg·hm-2和12 439.35 kg·hm-2，经济效益分别为17 022.25元·hm-2和14 832.65元·hm-2。

3 讨 论

注：经济效益=玉米产值-氮肥成本-其它成本。玉米价格为1 500元·t-1，缓释尿素价格为3 500元·t-1，普通尿素价格为2 100元·t-1，其它成本包括磷肥900 元·t-1，钾肥3 600元·t-1，种子1 134元·hm-2，共计2 610元·hm-2，由于试验为理论探究试验，故在核算成本时未考虑田间机械和人工成本。Note:Economic benefits = maize output value-nitrogen fertilizer cost-other costs. The price of maize was 1 500 yuan·t-1, the price of slow-release urea was 3 500 yuan·t-1, and the price of common urea was 2 100 yuan·t-1. Other costs include: 900 yuan·t-1 of phosphate fertilizer, 3 600 yuan·t-1 of potash fertilizer, 1 134 yuan·hm-2 of seeds, and a total of 2 610 yuan·hm-2. As the experiment was a theoretical exploration experiment, field machinery and labor costs were not considered in the cost accounting.图5 缓释与普通尿素分层配施对玉米产量及经济效益的影响Fig.5 Effects of combined application of slow-release with common urea at different depths on maize yield and economic benefit

玉米花后籽粒形成和根系及叶片衰老并进，延缓根系衰老吸收养分来延长绿叶持续期进而延长籽粒有效灌浆是玉米获得高产的基础[30-31]。叶片和根系不断衰老，植株体内用来表征衰老程度的SOD、POD、CAT活性不断下降，可溶性蛋白含量降低，MDA含量增加，引起蛋白质、核酸等生物大分子降解和生物膜脂过氧化，导致叶片和根系生理功能衰退，所以延缓叶片和根系衰老是提高玉米产量的有效措施。研究表明不同的氮肥种类和用量对叶片和根系衰老影响显著[32]， SOD、POD和CAT含量与玉米产量达显著水平[33]。本研究结果表明，施氮处理能够延缓吐丝后叶片和根系的衰老，在氮素施用量相同情况下，不同种类尿素的施用方式对叶片和根系保护酶活性影响显著，其中缓释与普通尿素分层配施基施，在吐丝期和灌浆期通过保证充足的氮素供应来为保护酶的合成提供充足的氮源，使保护酶体系维持在较为稳定的状态，显著提高根系和叶片中SOD、POD、CAT活性和可溶性蛋白含量，降低MDA含量，说明缓释尿素的施用更有利于花后叶片和根系衰老的延缓，这与邵国庆[34]的研究结果一致。普通尿素的施用在前期氮素释放很快，到了生育后期造成氮素供应不足，而缓释尿素与普通尿素配施在前期较慢释放氮素来满足作物前期生长对氮素的需求，生育后期其不断释放来满足后期需求，进而保证整个生育时期的需求；充足的氮素供应有利于改善细胞内活性氧产生与清除之间的平衡关系，更好满足源库关系，促进根系细胞分裂素向地上运输，进而保证生育后期叶片和根系的活力较强，延缓衰老[35-36]。

有研究表明缓释尿素能够继续维持玉米生育后期叶片光合特性[37-39]，本试验结果与其一致，缓释与普通尿素分层配施基施处理叶片在吐丝期和灌浆期净光合速率、气孔导度、蒸腾速率都保持较高水平，胞间CO2浓度显著降低，主要是由于光合速率影响植物在光合作用中吸收的CO2量,从而影响单位时间、单位面积所转化的同化物质，为玉米产量增加奠定基础；同时植物进行光合作用时经由气孔吸收CO2，气孔根据环境条件的变化来调节开度而使植物在损失水分较少的条件下获取最多的CO2，光合作用时在胞内大量消耗利用CO2，需要胞间CO2来补充，因此降低了其浓度，最终显著增加作物产量[40]。

玉米产量形成受到多种因素的影响，花后氮素是否供应充足是影响产量的重要因素，本研究中施用缓释尿素延缓玉米生育后期叶片和根系的衰老，保证后期光合作用的持续进行，使更多的太阳能转化成有机物质，提高玉米产量。据报道已研制出分层施肥器械[41-42]，将来应用该项技术时可一次将肥料施入土层中，省去了后期追肥的机械投入和机械进地过程，可不用机械压实土壤，达到一次施肥且减少成本的目的。因此缓释与普通尿素分层配施在生产实践中具有应用前景，本研究为其提供了部分理论参考依据。

4 结 论

普通尿素分层施肥和缓释与普通尿素分层配施能增加玉米生育后期氮素含量，延缓根叶衰老，提升叶片光合特性，增加玉米产量。各处理中以缓释与普通尿素在种子下方15～20 cm和25～30 cm处分别以5∶5和3∶7比例配施处理效果最佳，可为当地缓释尿素的推广提供理论依据。